Detecção de dano estrutural baseada na técnica da impedância eletromecânica em ambientes ruidosos

Abstract

A técnica da impedância eletromecânica (E/M) tem sido amplamente estudada nas últimas décadas como um método não destrutivo para detectar danos estruturais em aplicações de monitoramento de integridade estrutural (SHM – structural health monitoring) usando transdutores piezelétricos de baixo custo. Esses transdutores operam simultaneamente como sensor e atuador e são fixados à estrutura monitorada utilizando um adesivo a base de cianoacrilato. Embora muitos estudos tenham relatado a eficácia desse método de detecção, inúmeros problemas práticos têm sido reportados, como os efeitos de ruído e vibração, que precisam ser considerados para permitir o uso eficaz desse método em aplicações reais. Portanto, esta dissertação de mestrado apresenta uma análise experimental dos efeitos do ruído e das vibrações na detecção de danos estruturais em sistemas de SHM baseados na técnica da impedância eletromecânica. Os experimentos foram realizados em uma barra de alumínio usando dois diafragmas piezelétricos, sendo que um deles foi usado para obter as assinaturas de impedância elétrica e o outro foi usado como atuador para introduzir ruído e vibração controlada. Para a simulação de dano foi utilizada uma pequena massa metálica fixada na estrutura com uso de adesivo a base de cianoacrilato. Os efeitos do ruído e da vibração sobre as assinaturas de impedância foram avaliados por meio do cálculo da função de coerência e de índices básicos de dano. Os resultados indicam que a vibração e o ruído afetam significativamente o limiar do menor dano detectável, o qual pode ser compensado pelo aumento do sinal de excitação do transdutor piezelétrico utilizado para a obtenção das assinaturas de impedância elétrica.

The electromechanical impedance (EMI) technique has been extensively studied in recent decades as a non-destructive method for detecting structural damage in structural health monitoring (SHM) applications using low-cost piezoelectric transducers. These transducers operate simultaneously as actuator and sensor and they are fixed to the structure using cyanoacrylate-based glue. Although many studies have reported the effectiveness of this detection method, a lot of practical problems shown up, such as the noise effects and vibration, that need to be addressed to enable this method’s effective use in real applications. Therefore, this master's thesis presents an experimental analysis of noise and vibration effects on the structural damage detection in impedance-based SHM systems. The experiments were performed on an aluminum bar using two piezoelectric diaphragms, where one was used to measure the electrical impedance signatures and the other was used as an actuator to introduce noise and controlled vibration. To simulate damage, a small metal mass was fixed to the structure using cyanoacrylate glue. The effects of noise and vibration on the impedance signatures were evaluated by computing the coherence function and basic damage indices. The results indicate that vibration and noise significantly affect the threshold of the lowest detectable damage, which can be compensated by increasing the excitation signal of the piezoelectric transducer that measure the electrical impedance signature.